1.5. Тампонажные материалы на основе силикатов щелочных металлов

Вяжущими свойствами обладают концентрированные растворы силикатов натрия и калия (жидкое стекло). В виде технического продукта они содержат смесь силикатов различной степени полимеризации: ортосиликат Nа₄SiO₄(2Nа₂О  SiO₂), метасиликат Nа₂SiO₃(Nа₂О  SiO₂) и дисиликат Nа₂SiO₂O₅(Nа₂О  2SiO₂).

В водных растворах силикатов натрия (калия) существует равновесие:

Для сохранения равновесия необходимо поддерживать рН = 10,5-11. В этих условиях SiO₂ находится в деполимеризованном состоянии. Если под влиянием внешних условий или в результате введения специальных веществ рН снижается, то образуется кремниевая кислота, которая затем полимеризуется.

Конденсация приводит к образованию очень больших молекул поликремниевых кислот, являющихся типичными неорганическими полимерами. Наиболее энергично полимеризация идет при рН = 5-6. Эффективный инициатор полимеризации – кремнефторид натрия Na₂SiF₆.

Тампонажные растворы на основе растворимых силикатов представляют собой либо чистый раствор силиката (для цементирования пор трещин в породе), либо суспензию в нем наполнителя (для заполнения достаточно широких полостей). В растворенном состоянии или в составе суспензии может содержаться также инициатор полимеризации. В качестве наполнителя применяют измельченный кварц и другие химически инертные минералы, а также измельченные материалы, не являющиеся химически инертными, например шлаки. В этом случае повышается водостойкость затвердевшего материала.

Однако вещества с высокой химической активностью (портландцемент, шлаки) вызывают быструю коагуляцию силиката и быстрое структурообразование, поэтому в таких суспензиях применяют небольшое количество растворимого силиката.

Затвердевшие суспензии на основе растворимых силикатов стойки в растворах большинства кислот, но не стойки в воде, щелочах, фосфорной и фтористоводородной кислотах.

Известны составы кислотостойких тампонажных растворов на основе силикатов щелочных металлов. Они содержат кроме растворимого силиката и инициатора полимеризации также наполнитель в виде порошка кварца, диабаза или кислого шлака, пластификатор, в качестве которого применяют лигносульфонаты и другие устойчивые в щелочах органические химические реагенты – понизители вязкости суспензий.

Консистенция, скорость затвердевания и прочность камня таких тампонажных растворов регулируются плотностью раствора жидкого стекла и количеством добавляемых порошкообразных материалов, а водостойкость – степенью гидратационной активности наполнителя. Чтобы получить затвердевший тампонажный материал устойчивым в сильных кислотах, применяют химически инертный наполнитель, но такой материал не водостоек. Тампонажные растворы на основе щелочных силикатов с шлаковым порошком в качестве наполнителя более водостойки и устойчивы в слабых кислотах, например в сероводородной, что важно для цементирования нефтяных и газовых скважин.

1.6. Органические и органо-минеральные тампонажные материалы Тампонажные смеси на основе торфа и сапропеля

Поверхностное скопление природных органических веществ приводит к образованию торфа и сапропелей, а в погребенных условиях они постепенно превращаются в бурые и каменные угли, нефть и газ.

Состав торфа определяется видом исходных растений торфообразователей, их зольностью, особенностью водно-мине­рального питания и условиями последующего разложения растений. По способу залегания торф разделяют на верховой, низинный и переходный.

В отличие от торфа сапропели представляют собой тонкоструктурные коллоидные отложения водоемов, содержащие органические и минеральные компоненты биогенного и привносного характера. По содержанию органических и минеральных компонентов сапропели делятся на органический тип, смешанный, кремнеземистый и карбонатный.

Торф и сапропель имеют высокую структурирующую способность, представляющую огромный интерес для приготовления различных реагентов, буровых и тампонажных растворов, буферных жидкостей и эмульсионных составов, так как они содержат такие ценные компоненты как ПАВ, гемицеллюлозу, углеводные и белковые вещества, битумы и глины.

При воздействии на торф и сапропель слабых щелочей и кислот значительно активизируется поверхность их частиц, что приводит к улучшению структурно-реологических и технологических свойств дисперсии.

Исследования показали, что торф и сапропель являются эффективным материалом для облегчения тампонажных смесей. Использование торфа в качестве облегчающей добавки позволяет в 2-3 раза сократить расход цемента при цементировании колонны в глубоких скважинах. Кроме того, эти растворы при плотности 1,35-1,4 г/см³ обладают минимальной водоотдачей. В качестве добавок, ускоряющих скорость твердения, используют хлористый кальций, хлористый алюминий и т.п. Расход торфа составляет от 2,5 до 15 % от массы цемента. Получаемые цементно-торфяные смеси седиментационно устойчивы и имеют меньшую водоотдачу по отношению к чисто цементным.

Для приготовления облегченных смесей можно использовать кремнеземистый сапропель, содержащий в своем составе тонкодисперсную двуокись кремния.